基于遙感圖像解譯的城市生態(tài)廊道研究

李 鹍

（清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084）

基于遙感圖像解譯的城市生態(tài)廊道研究

李 鹍

（清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084）

遙感影像解譯是圖像學(xué)的前沿技術(shù)，將其應(yīng)用于城市環(huán)境問題研究具有交叉學(xué)科的意義和較好的效果。該文通過解譯遙感影像并以北京市為例，詳細研究了城市生態(tài)廊道的位置、形式和內(nèi)在結(jié)構(gòu)，并以衛(wèi)星圖片推導(dǎo)的植被覆蓋度、地表亮溫為指標(biāo)分析了生態(tài)廊道的作用。由此顯示了遙感技術(shù)可應(yīng)用于精確的城市環(huán)境分析中，是圖學(xué)應(yīng)用于地學(xué)、規(guī)劃學(xué)的途徑。

工程圖學(xué)；生態(tài)廊道；圖像解譯；植被指數(shù)

城市環(huán)境的研究一直以來都是規(guī)劃學(xué)科的難點，因為城市體量巨大，內(nèi)部形式復(fù)雜，很難從整體上去把握城市的結(jié)構(gòu)。以往的城市環(huán)境研究往往需要進行大量的實地調(diào)查，并進行大規(guī)模的同步測試，由此需要花費大量的人力、物力和財力。

遙感技術(shù)具有快速、全方位地獲取不同空間分辨率、多光譜信息的特征，是城市環(huán)境研究的有效手段[1]。遙感技術(shù)也是圖學(xué)的一個重要分支，是圖學(xué)技術(shù)應(yīng)用于探討地學(xué)、規(guī)劃學(xué)問題的途徑。它可以通過對地物進行觀測，然后利用數(shù)學(xué)模型、波段合成等多種處理手段將拍攝的影像進行解譯，得到帶有數(shù)據(jù)的灰度圖像。這些灰度圖像將可以反映地表的溫度、植被覆蓋、熱物理性質(zhì)等各種特征。另一方面，遙感衛(wèi)星處于高空，所拍攝的圖像范圍廣闊，直觀的反映較大區(qū)域的地表狀況，適合進行大范圍的對比分析和深入研究。人們通過對經(jīng)過處理的遙感圖片的識讀，可以非常方便的對城市的整體情況進行探討。隨著科技的發(fā)展，遙感技術(shù)日益成熟，遙感衛(wèi)星的精度也大大提升，目前遙感技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用到比較精確的城市問題研究中。

因此，這里將利用遙感衛(wèi)星圖像研究城市生態(tài)廊道對城市環(huán)境的改善作用。這也是利用圖學(xué)前沿技術(shù)支持規(guī)劃層面的工程性研究的有益實踐，這不僅為規(guī)劃學(xué)科提供了重要的交叉學(xué)科的研究手段，對圖形圖像學(xué)科的發(fā)展和實際應(yīng)用也有重要意義。

1 生態(tài)廊道介紹

城市生態(tài)廊道目前還沒有統(tǒng)一的定義[2-4]。從城市規(guī)劃層面來看，如果一個區(qū)域具有較大面積生態(tài)用地，能夠在城市密集的中心提升人居環(huán)境水平，緩解和隔離城市化對生態(tài)資源的沖擊，具有一定獨立性和相對完整的生態(tài)系統(tǒng)，則可以在廣義上將其認定為一種生態(tài)廊道。生態(tài)廊道是將城市中孤立的、面積較小的生態(tài)資源點聯(lián)系成為完整的、具有與城市進行交流功能的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

生態(tài)廊道的基本構(gòu)成元素有綠化隔離帶、公園、城市森林、山地、河流、湖泊等。其一般表現(xiàn)為線狀或是帶狀，但是在某些情況下也具有廣義化的、非線性的形態(tài)特征。城市生態(tài)廊道有著調(diào)節(jié)城市微氣侯環(huán)境、緩解熱島效應(yīng)、提供景觀和休憩、保護城市生態(tài)鏈、限制城市過度發(fā)展、保障城市交通等功能，對城市的生產(chǎn)和生活有著重要的作用。因此，需要大力保護和發(fā)展城市生態(tài)廊道，對其表現(xiàn)形式和內(nèi)在結(jié)構(gòu)進行認真的研究。

2 實例研究

在本研究中，將通過對北京市的生態(tài)廊道進行案例分析，以此來說明城市中存在的生態(tài)廊道的具體形式，并通過這些案例了解如何通過對衛(wèi)星圖像的解讀，研究城市生態(tài)廊道的整體性質(zhì)。

2.1 遙感研究方法

本次研究采用的遙感衛(wèi)星影像是美國陸地衛(wèi)星5號衛(wèi)星（Landsat5，簡稱TM）在2010年6月5日拍攝的在北京地區(qū)的影像①本文所用遙感影像由中國科學(xué)院中國遙感衛(wèi)星地面站提供：http：//www.rsgs.ac.cn/。。TM衛(wèi)星影像具有7個波段，除第六波段熱紅外波段分辨率為120m外，其余波段分辨率為30m，具有良好的對地觀測精度和效果[5]。

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的波段之間進行組合運算可以得到不同的地表信息數(shù)據(jù)，本次研究主要求取多波段合成圖像（4、3、2波段的合成圖）、NDVI植被指數(shù)、地表亮溫3個數(shù)據(jù)圖。多波段合成圖像主要是從城市整體角度對生態(tài)廊道進行直觀描述，而NDVI植被指數(shù)圖、地表亮溫圖則是從植被覆蓋、地表熱場的角度來了解生態(tài)廊道的分布情況和對熱環(huán)境狀況的影響。

多波段合成圖像通過顏色不同直觀體現(xiàn)了地表下墊面的具體情況。城市各種下墊面由于物理性質(zhì)不同，在合成圖上顯示出不同的顏色。如圖1所示，城市中的建筑呈灰色，道路呈青灰色，植被呈現(xiàn)紅色，而水體呈現(xiàn)為藍色。

NDVI是根據(jù)-1到1之間的數(shù)值反映植被覆蓋狀況的植被指數(shù)[6]。一般水體的NDVI值為負數(shù)，植被、道路、房屋等則要根據(jù)多次選點，參照地面實際表面情況來決定閾值。植被覆蓋越好，數(shù)值越高。NDVI的求取主要利用以下公式[6]

其中 B1是TM影像的第四波段反射率，B2是其第三波段反射率。

地表亮溫反映地表的溫度情況，是分析城市熱環(huán)境的重要指標(biāo)。陳云浩等人(2004)認為[7]“由于城市區(qū)域范圍有限，可認為區(qū)域水汽狀況基本一致，因而可直接用亮溫表征城市熱場?！钡乇砹翜氐那笕±肨M影像的第六波段圖像，其具體計算方法如下[7]

圖1 北京TM影像三波段合成圖（4、3、2波段的合成圖）

圖2、圖3分別是該衛(wèi)星影像經(jīng)過計算后得到的地表亮溫分布圖和植被指數(shù)NDVI分布圖。

圖2 地表亮溫分布圖

2.2 基于遙感圖像的規(guī)劃分析

首先從多波段合成圖來看北京市生態(tài)廊道的分布情況。對于主城區(qū)來說，建筑和道路占據(jù)了大部分的用地，植被分散其間，大部分綠地都呈現(xiàn)小型化和離散化的特點。但是，有幾個生態(tài)廊道還是比較明顯的。這些廊道從表面形式看有線狀和面狀兩種，從具體結(jié)構(gòu)來說則有“核心區(qū)―緩沖區(qū)―城市人工環(huán)境”、“節(jié)點―紐帶―節(jié)點”、“節(jié)點―節(jié)點”三種結(jié)構(gòu)類型。

圖3 植被指數(shù)NDVI分布圖

具體來說，什剎海、前三海等湖泊組成的湖泊廊道在城市中心區(qū)非常顯眼，呈線狀特點；由頤和園的昆明湖經(jīng)京密引水渠、玉淵潭公園、紫竹院公園等公園形成的廊道，將城市西部、南部的主要綠地、水體和河道都連接起來，體現(xiàn)了很明顯的“節(jié)點-紐帶-節(jié)點”的廊道模式；北京中軸線上的重要區(qū)域如故宮、亞運村、奧運村、奧林匹克公園等地物都很清晰，但是其聯(lián)系不明顯，符合“節(jié)點-節(jié)點”式生態(tài)廊道的特點；元大都遺址公園體現(xiàn)了線形生態(tài)廊道的特點；而圓明園公園、清華大學(xué)、北京大學(xué)圍繞著圓明園中的湖泊所形成的生態(tài)區(qū)域也一個是典型的“核心區(qū)-緩沖區(qū)-城市”模式的生態(tài)廊道。

其次，從地表亮溫圖和NDVI植被狀態(tài)圖進行綜合分析。從圖2，圖3可以看到，除去水面，生態(tài)廊道區(qū)域的NDVI一般在0.1到0.35之間，而一般城市建筑區(qū)均在0.1以下，顯示生態(tài)廊道具有較好的生態(tài)效果，植被覆蓋率較高。而從地表亮溫圖上看，生態(tài)廊道的區(qū)域是市區(qū)中溫度比較低的。在衛(wèi)星拍攝時刻，城市建筑、道路表面的亮溫在24°C以上，而生態(tài)廊道區(qū)的表面亮溫則低于24°C。其中水體表面溫度最低，一般低于21°C，尤其是大型水面的中心區(qū)域溫度在18°C到20°C之間。其它生態(tài)廊道的核心區(qū)域在20°C～23°C之間，邊緣地區(qū)和分散的區(qū)域表面亮溫在22°C～24°C之間。而從城市其它區(qū)域來看，與生態(tài)廊道交接的區(qū)域，地表亮溫在24°C到27°C之間，然后再逐步過渡到27°C以上的城市高溫區(qū)。由此可見，從生態(tài)廊道的核心區(qū)到城市建筑密集區(qū)，地表亮溫從20°C升至27°C以上，體現(xiàn)了兩種區(qū)域之間相互影響，逐步過渡的過程，這也說明了生態(tài)廊道對周邊區(qū)域有良好的改善作用。另一方面，北京中軸線廊道上的部分節(jié)點地表亮溫在24°C～26°C之間，因為像奧運村、亞運村等地方存在著大片區(qū)域是以水泥、瀝青地面為主，在白天表面溫度較高。實地考察得知，它們的廊道作用主要表現(xiàn)在作為城市中較大的開放空間以及得益于中軸線較低密度的規(guī)劃布局，通風(fēng)效果較好，是城市重要的通風(fēng)口和通道。實際上同樣介質(zhì)的地表，亮溫一般都在27°C以上，正是由于其通風(fēng)作用，保證其地表亮溫維持在相對低的水平。但是，這也從一個側(cè)面表現(xiàn)出這種“節(jié)點-節(jié)點”型的廊道和不透水下墊面的節(jié)點表面介質(zhì)，其廊道生態(tài)效果相對較差。

3 研究總結(jié)

經(jīng)過上述對北京衛(wèi)星影像的解譯和分析，可以看到城市的生態(tài)廊道有其獨特的特色，這些特色也反映了城市的氣候和地域環(huán)境。通過上述的分析，也可以看到圖學(xué)可以在規(guī)劃研究方面起到非常關(guān)鍵的作用。

（1） 城市生態(tài)廊道的研究對整合城市生態(tài)資源、提高城市人居環(huán)境有著重要的意義?？梢钥吹侥壳俺鞘袑ι鷳B(tài)廊道已經(jīng)有所認識，并在逐步改進城市中生態(tài)節(jié)點離散化和邊緣化的狀況。但是也該認識到，城市中的生態(tài)廊道仍然只占據(jù)著較少的面積，對城市人居環(huán)境的影響還有很大改進的空間。城市應(yīng)該努力進行更集中和更大面積的生態(tài)圈建設(shè)，而不能僅僅滿足于建設(shè)較小范圍的生態(tài)廊道。

（2） 北京的生態(tài)廊道都是以水系作為重要的連接方式，反映出城市中對水的需求是非常迫切的。但是，在城市中心區(qū)，大部分的廊道節(jié)點和幾乎全部的連接紐帶都是靠水體來實現(xiàn)，生態(tài)廊道的同質(zhì)化比較突出。一般來說，最好的生態(tài)廊道形式應(yīng)該是包含水體、草坪、森林等各種生態(tài)資源和各種生物圈，這樣才能在最大限度上保證生態(tài)系統(tǒng)的完整。所以在盡可能的情況下，應(yīng)該增加其它類型的生態(tài)廊道所占的比例。

（3） 可以看到，應(yīng)用遙感圖像進行的北京市生態(tài)廊道的研究不僅可以進行直觀的總體分析和定點分析，也可以通過數(shù)學(xué)解譯深入探討地表區(qū)域的特征指標(biāo)。這不僅節(jié)省了大量的調(diào)研工作，也可以同時同步對整個城市的所有區(qū)域進行各種指標(biāo)的對比研究，由此顯示了遙感這個圖學(xué)前沿技術(shù)在城市環(huán)境研究中的巨大優(yōu)勢。在未來的發(fā)展中，圖學(xué)、地理學(xué)、規(guī)劃學(xué)等學(xué)科應(yīng)該相互借鑒，進一步加強學(xué)科的交叉和整合，并應(yīng)用到解決實際科研問題中。

[1]王文杰, 申文明, 劉曉曼, 等. 基于遙感的北京市城市化發(fā)展與城市熱島效應(yīng)變化關(guān)系研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2006, 19(2)：44-48.

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[5]張兆明, 何國金. Landsat 5 TM數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)[J]. 科技導(dǎo)報, 2008, 26(7)：54-58.

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[7]陳云浩, 李 京, 李曉兵. 城市空間熱環(huán)境遙感分析——格局、過程、模擬與影響[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2004. 20-21.

Research on City Ecological Tunnel Based on Remote Sensing Image Interpretation

LI Kun
( School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

Interpretation of Remote Sensing image is the frontier technology in Iconology,which is of interdisciplinary meaning and good effect by using it to do the research on city environment problem. This paper studies the position, form and structure of city ecological tunnels by using the satellite image and does the case study of Beijing city. It also uses the indices of NDVI and surface brightness temperature deduced by satellite image to analyze the function of ecological tunnels. It is proved that Remote Sensing can be used into precise analysis of city environment and is the way for the application of Graphics in Geography and Urban Planning.

engineering graphics; ecological tunnel; image interpretation; vegetation index

TB 23

A

1003-0158(2010)06-0161-04

2010-06-17

李 鹍（1978-），男，廣西南寧人，博士后，主要研究方向為綠色建筑與生態(tài)城市。